淺談優(yōu)化VTS清潔能源雷達站

沈高瀚

摘要：隨著VTS監(jiān)控范圍的擴大，未來將有更多VTS雷達站建設在海島上。傳統(tǒng)的離網發(fā)電雷達站一般采用柴油機進行發(fā)電，其供油及維護成本高，且會破壞脆弱的海島生態(tài)。因此，采用清潔能源發(fā)電技術進行發(fā)電是未來VTS雷達站的重要發(fā)展方向。本文以金山雷達站為例，對目前使用中的清潔能源發(fā)電儲能系統(tǒng)提出改善方案。

關鍵詞：清潔能源 ? 離網發(fā)電系統(tǒng) ? 金山雷達站 ?供電儲能系統(tǒng) ?蓄電池

洋山VTS轄區(qū)的金山雷達站是國內較早建設使用的清潔能源雷達站，采用風電——柴油互補發(fā)電技術。肩負著創(chuàng)新和科研的使命，是對未來VTS雷達站建設做出的有益嘗試。

本文結合當前設備指標及技術能力，針對金山雷達站的實際情況，提出對金山雷達站儲能蓄電池組、風力發(fā)電機組和柴油發(fā)電機設備的改善方案。通過改變儲能蓄電池組的充電方式;重組儲能蓄電池組;整體更新監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)等手段改善金山雷達站的供電儲能系統(tǒng)。改善后的系統(tǒng)將擁有更優(yōu)化的系統(tǒng)結構，較高的使用效率，可以較好地完成既定改善任務，目的是維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，減少供電中斷的風險，保證供電安全、穩(wěn)定，保障通航船舶航行安全。

1 VTS清潔能源雷達站

1.1 ?VTS清潔能源發(fā)電雷達站

我國VTS（船舶交通管理系統(tǒng)）的建設走在了世界前列，VTS中心和雷達站的數量、覆蓋面為世界之最，VTS的建設和管理日益科學化、規(guī)范化。

在VTS系統(tǒng)中雷達站是最為核心的組成部分之一，其一般設置于高點，同時又要形成雷達站鏈狀網絡，因此眾多雷達站選擇設置在離網海島上。

海島生態(tài)環(huán)境比較脆弱，使用傳統(tǒng)發(fā)電設備會對其造成不可逆的空氣、噪聲和水污染，因此，采用清潔能源發(fā)電技術進行發(fā)電是未來雷達站的重要發(fā)展方向。洋山港海事局轄區(qū)內的金山雷達站是目前建成并投入使用的最早的新能源發(fā)電雷達站。采用以風力發(fā)電為主，柴油發(fā)電機為輔的混合動力供電系統(tǒng)。對島嶼的環(huán)境壓力較小，是對未來VTS雷達站建設做出的有益嘗試。本文以金山雷達站為例，介紹清潔能源發(fā)電雷達站的實際運行情況和當前面臨的技術問題;對其供電儲能系統(tǒng)提出改善方案;分享清潔能源雷達站的建設管理經驗。

1.2 VTS雷達站對發(fā)電系統(tǒng)的需求

VTS雷達站的負載通常由動力負載和開關電源負載組成混合負載。動力負載為雷達天線馬達;開關電源負載為：雷達、微波、甚高頻收發(fā)機、以及雷達信號處理器、AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）等開關電源設備。為了保障雷達站設備可用率負荷要求（≤5年使用年限的VTS系統(tǒng)設備，一級可用率要求≥99.9%），離網發(fā)電雷達站對其供電儲能設備的可用度和可靠度有更高的要求。

1.3 金山雷達站背景介紹

金山雷達站始建于2008年，位于杭州灣口北部、距陸地岸線6.2Km的金山三島海洋生態(tài)自然保護區(qū)，因此雷達站在設計建設時，要求盡可能采用清潔能源。最終建設了以風力發(fā)電為主，柴油發(fā)電機為輔的供電系統(tǒng)。且因為不批準架設柴油補給管道，后續(xù)的柴油補給只能使用人力搬運。目前發(fā)電系統(tǒng)的短板在于風力發(fā)電設備發(fā)電功率不足和蓄電池組運行情況不佳。

金山雷達站采用的是風—油互補的離網發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)包括直列式風力發(fā)電機四臺、柴油發(fā)電機一臺、蓄電池電池組一套、UPS一臺、逆變器兩臺、充電控制系統(tǒng)兩套、連接電纜及配電設備一套等。主要的負載設備為雷達控制設備、雷達天線及微波裝置等，負載功率為3～5 kW。

1.4 ?金山雷達站供電儲能系統(tǒng)2012、2013年度運行分析

金山雷達站供電處能設備從2008年11月安裝之初至2010年雷達開始安裝、調試。其間蓄電池在島上放置了兩年，期間并未對蓄電池組進行有效的保養(yǎng)，且因為在海島特殊環(huán)境下，對蓄電池的使用壽命有影響。

安裝之初總計為96塊霍克牌16OPzV2000型號蓄電池組組成DC96V、4000AH的儲能陣列。

其單塊電池主要參數如下：

表1.1 ?單塊霍克牌16OPzV2000性能參數表

2012年7月，由于電池的情況惡化，所以對在用的96塊電池進行了重新整合，調整出了24塊不良電池，剩余72塊電池主用48塊，備用24塊，組成DC96V，容量2000AH的儲能蓄電池組。

2013年10月，因蓄電池組儲能效率低下，造成柴油發(fā)電機組工作量加大，運行時間延長，經過對蓄電池組檢測，重新組合了48塊單體組成DC96V、2000AH電池組使用至今。

通過分析近兩年來金山雷達站供電系統(tǒng)的運行情況，可以發(fā)現，目前造成供電系統(tǒng)運行風險的主要原因是蓄電池組耗損嚴重，風力發(fā)電設備充電效果不理想，導致柴油機運行時間延長。因此，在設計供電系統(tǒng)改善方案時，主要從增大發(fā)電設備的使用效率，及優(yōu)化現有的供電系統(tǒng)結構兩方面探討洋山VTS金山雷達站供電儲能系統(tǒng)改善方案。

2 金山雷達站供電儲能系統(tǒng)

2.1 金山雷達站供電及儲能裝置現狀

2.1.1發(fā)電裝置現狀

金山雷達站的發(fā)電裝置主要包括利用綠色能源風能的風力發(fā)電機四臺，單臺風機額定功率1.2kW，四臺風機額定功率4.8kW。風力發(fā)電設備經整流后分別以4個DC24V電壓輸出至對應儲能蓄電池組，單臺風機理論最大充電電流50A。

現有發(fā)電策略會因為風速不同四臺風力發(fā)電設備的發(fā)電量不同，從而引起單組電池充電不均衡。

金山雷達站還配備一臺柴油發(fā)電機組，其視在功率為24KVA?？梢栽趦δ苎b置電壓低于低限度值89V時為系統(tǒng)補充電能。

2.1.2 配電裝置現狀

配電裝置主要由兩臺6KVA并聯冗余的三相逆變電源、一臺單相5KVA的單相逆變電源、一臺15KVA的UPS和一臺16KVA的隔離變壓器構成。endprint

三相逆變電源主要把三相穩(wěn)定的電源經UPS和隔離后送給雷達機房用，實際負載在3.5kW左右。單相逆變電源單獨給燈塔插座、控制回路供電。UPS作為后備在中間電源切換時做補充備用，隔離變壓起到隔離電源側的作用。

2.1.3 負載現狀

金山雷達站用電負載主要在雷達機房，其總負載為3.5kW，包括雷達電機和控制器機主機電腦兩臺。其余控制回路的單相負載約為0.3kW。

2.2 供電儲能裝置現狀分析

2.2.1 儲能蓄電池組

現有儲能蓄電池組近期輸出不穩(wěn)定，導致了三相逆變電源冗余切換失效鎖死，從而造成供電中斷。蓄電池組工作不穩(wěn)定還導致柴油發(fā)電機組頻繁啟動引起報警，報警后需要人工復位方可恢復工作。

DC96V的整組電壓不平衡，總電壓不符合要求，但是個別組的電壓卻偏高，經測試目前已有29塊電池內阻已低于下限可以判定為損壞。要改善金山雷達站的供電儲能系統(tǒng)首先要更換儲能蓄電池組。

2.2.2 風力發(fā)電設備充電策略

當前風力發(fā)電設備的充電仍按照最初設計的分組充電方式對整個儲能蓄電池組進行充電，即每臺風機分別為一組DC24蓄電池組充電。

分組充電會因風機運行情況和發(fā)電效率的不同，導致風力發(fā)電設備的發(fā)電量不同，而造成儲能蓄電池組的單體（單組）電池充電不均衡，最終影響整組儲能蓄電池組的性能和效率。

在改善方案中建議將分組充電改變?yōu)檎M充電，可以避免對儲能蓄電池組造成不平衡的影響。

2.2.3 設備冗余及供電安全后備

目前整個供電系統(tǒng)除三相逆變電源外，其余均為單臺工作，這樣會有因設備損壞不能及時修復造成的供電中斷風險。

單臺供電的設備包括：柴油發(fā)電機組（靜音型24kVA）、單相逆變器（6kVA）、UPS（15kVA）這些設備恰恰是維修周期比較長的設備，一般維修周期為2～3周。

2.2.4 監(jiān)控及自動控制

現有監(jiān)控系統(tǒng)根據最初設計采用C/S架構，自動控制方面有控制反饋不到的情況出現，所以需要對整個控制軟件和采集設備進行升級。

可以改善原有監(jiān)控系統(tǒng)的C/S架構為B/S架構，讓監(jiān)控狀態(tài)實時響應于互聯網上，同時可以增加機房和儲能蓄電池組間的環(huán)境監(jiān)控及溫度控制可以遠程對設備的開關狀態(tài)進行管理和手工切換以提高供電穩(wěn)定性。

2.3 針對當前設備及同類設備的性能分析

2.3.1 發(fā)電設備性能特點

在理想狀態(tài)下，現有儲能組在滿電情況下可供雷達機房用電約9個小時，9個小時后儲能蓄電池組電壓低于DC85V，則后備柴油發(fā)電機組自行啟動。

柴油發(fā)電機組啟動后空載約15s，其儲能組的智能充電機啟動，充電電流為DC160A ，在柴油機啟動的時間內，柴油機負載分兩部分，一部分是給儲能組充電，柴油發(fā)電機分擔負載功率15.3kW;另一部分是直接經UPS和隔離變壓給雷達機房供電，分擔負載功率3.8kW。柴油機慢負載時間約為2小時，之后隨充電電流的逐漸減小，大約開始充電12～14小時后儲能組基本飽和則柴油機停止充電，開始切換為儲能組繼續(xù)供電。

在一個充電周期內，充電時間的長短取決于風力發(fā)電補充的電能，最短充電時間為9小時，最長時間為14小時。

2.3.2 儲能設備性能特點

1.金山雷達站的儲能設備為密封鉛酸蓄電池組，其性能特征如下：

放電深度（Depth of discharge DOD），在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。放電深度的高低和蓄電電池的充電壽命有很深的關系，當二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，會導致電池的使用壽命變短，在無市電情況下，UPS用電負載很小時，會導致深度放電的情況發(fā)生。金山雷達站就容易發(fā)生深度放電的情況，在儲能設備的設計和使用中要特別注意，避免深度放電。

金山雷達站的儲能蓄電池會時常處于充放電狀態(tài)，因此合理地進行充電十分重要。用分階段充電方式是一種比較好的方法，因為隨著充電過程的進行，充電電流逐漸下降。采用這種方法，可以使充電末期的電解液沸騰的現象減弱，損失電能較少，而且能保護極板，并能防止過渡充電和水解的電力損失。

2.4 負載對供電儲能系統(tǒng)的需求

金山雷達站的主要負載為雷達設備TERMA scanter 2001，其正常工作的用電功率約3～5kW，但雷達天線的啟動電壓需求較大，因此雷達設備使用電壓為380V。其余支持設備均功率較低，在2kW左右。

雷達站現有蓄電池組最大充電功率為15kW，結合柴油發(fā)電機組發(fā)電功率，經計算可以配置DC96V蓄電池組的容量介于1200～2000AH。綜合選型為單體電池電壓2V、600AH蓄電池48串2并連接，最終實現DC96V、1200AH。

3 供電儲能系統(tǒng)改善方案

3.1 儲能配電設備改善方案

根據目前儲能鉛酸蓄電池新技術，替換已有的儲能電池組，依舊組成兩組，一組為48節(jié)?？梢圆捎玫聡柟釧600系列膠體電池。其規(guī)格參數如表4.1。

表4.1 ?技術特性數據

3.2 風力發(fā)電設備充電改善方案

分組充電策略會因為四臺風力發(fā)電設備的發(fā)電量不同引起的單體（單組）電池充電不均衡現象，改善方案將改變分別充電為整組充電，如圖3.1所示：

圖3.1 ?風力發(fā)電設備充電策略改善方案

3.3 設備冗余及供電安全后備方案

設備冗余關系到穩(wěn)定性。改善方案設計通過設備的雙備份來保障穩(wěn)定性，其中可以并機運行的設備盡量實現并聯使用，不能并機運行的設備考慮通過主控部分的控制策略調整，配合接觸器及ATS開關實現設備熱切換備份冗余。其方案部署如圖3.2所示：endprint

如上圖所描述，在條件允許的情況下考慮增加一臺24kW柴油發(fā)電機組，因為主要是在應急情況下替代使用。

3. 4 監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)改善方案

雷達站監(jiān)控軟件升級。通過新增監(jiān)控節(jié)點，采用B/S架構等技術手段。利用遠程Web通信對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控管理，查看和管理整個系統(tǒng)和系統(tǒng)內各個設備的工作狀況，對系統(tǒng)設備的工作狀態(tài)進行實時跟蹤和控制，完成系統(tǒng)設備運行參數的設定，實現遙測、遙控、遙信和遙調的功能，確保系統(tǒng)內各種設備的安全。

4 結 論

4.1 供電儲能系統(tǒng)改善方案的可行性分析

本論文探討的金山雷達站供電儲能系統(tǒng)改善方案擁有優(yōu)化的系統(tǒng)結構。然而，這些改善方案還存在一些不足之處，有待作出修正和完善。

1.本文在分析過程中，都是假設用電設備功率不變，三相電壓是對稱三相正弦波，并沒有考慮雷達或其他設備發(fā)生故障導致負載變化過大的情況。

2.方案改進的風力發(fā)電機組對蓄電池組的充電方式，存在一個直流升壓裝置，在風力發(fā)電功率不高的情況下會產生較大損耗。也可以考慮采用由風力發(fā)電機組向DC24V電堆12V50AH充電，然后通過單相逆變器為220V負載進行供電。

4.2 結論和展望

綜合考慮資金和效率限制，在未來的改善計劃中傾向于改善：1.更新儲能配電蓄電池組，替換下已損壞的蓄電池，重新組成48串的兩組蓄電池組;2.優(yōu)化風力發(fā)電設備充電方式，通過隔離對整個電池組進行整體充電;3.適當增加冗余及供電安全后備設備;4.整體更新監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)。

清潔能源發(fā)電技術是一個集計算機技術，空氣動力學、光電學、結構力學和材料力學等綜合性學科的技術，在海事有著廣闊的應用前景。金山雷達站作為一個有益的嘗試，對未來清潔能源發(fā)電雷達站的建設提供了很多經驗和多一種模式的選擇。

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